USB接口的基礎理論知識

1、端點：位于USB設備或主機上的一個數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，用來存放和發(fā)送USB的各種數(shù)據(jù)，每一個端點都有惟一的確定地址，有不同的傳輸特性（如輸入端點、輸出端點、配置端點、批量傳輸端點）

2、幀：時間概念，在USB中，一幀就是1MS，它是一個獨立的單元，包含了一系列總線動作，USB將1幀分為好幾份，每一份中是一個USB的傳輸動作。

3、上行、下行：設備到主機為上行，主機到設備為下行

下面以一問一答的形式開始學習吧：

問題一：USB的傳輸線結構是如何的呢？

答案一：一條USB的傳輸線分別由地線、電源線、D+、D-四條線構成，D+和D-是差分輸入線，它使用的是3.3V的電壓（注意哦，與CMOS的 5V電平不同），而電源線和地線可向設備提供5V電壓，最大電流為500MA（可以在編程中設置的，至于硬件的實現(xiàn)機制，就不要管它了）。

問題二：數(shù)據(jù)是如何在USB傳輸線里面?zhèn)魉偷?/p>

答案二：數(shù)據(jù)在USB線里傳送是由低位到高位發(fā)送的。

問題三：USB的編碼方案？

答案三：USB采用不歸零取反來傳輸數(shù)據(jù)，當傳輸線上的差分數(shù)據(jù)輸入0時就取反，輸入1時就保持原值，為了確保信號發(fā)送的準確性，當在USB總線上 發(fā)送一個包時，傳輸設備就要進行位插入***作（即在數(shù)據(jù)流中每連續(xù)6個1后就插入一個0），從而強迫NRZI碼發(fā)生變化。這個了解就行了，這些是由專門 硬件處理的。

問題四：USB的數(shù)據(jù)格式是怎么樣的呢？

答案四：和其他的一樣，USB數(shù)據(jù)是由二進制數(shù)字串構成的，首先數(shù)字串構成域（有七種），域再構成包，包再構成事務（IN、OUT、SETUP），事務最后構成傳輸（中斷傳輸、并行傳輸、批量傳輸和控制傳輸）。下面簡單介紹一下域、包、事務、傳輸，請注意他們之間的關系。

（一）域：是USB數(shù)據(jù)最小的單位，由若干位組成（至于是多少位由具體的域決定），域可分為七個類型：

1、同步域（SYNC），八位，值固定為0000 0001，用于本地時鐘與輸入同步

2、標識域（PID），由四位標識符+四位標識符反碼構成，表明包的類型和格式，這是一個很重要的部分，這里可以計算出，USB的標識碼有16種，具體分類請看問題五。

3、地址域（ADDR）：七位地址，代表了設備在主機上的地址，地址000 0000被命名為零地址，是任何一個設備第一次連接到主機時，在被主機配置、枚舉前的默認地址，由此可以知道為什么一個USB主機只能接127個設備的原因。

4、端點域（ENDP），四位，由此可知一個USB設備有的端點數(shù)量最大為16個。

5、幀號域（FRAM），11位，每一個幀都有一個特定的幀號，幀號域最大容量0x800，對于同步傳輸有重要意義（同步傳輸為四種傳輸類型之一，請看下面）。

6、數(shù)據(jù)域（DATA）：長度為0~1023字節(jié)，在不同的傳輸類型中，數(shù)據(jù)域的長度各不相同，但必須為整數(shù)個字節(jié)的長度

7、校驗域（CRC）：對令牌包和數(shù)據(jù)包（對于包的分類請看下面）中非PID域進行校驗的一種方法，CRC校驗在通訊中應用很泛，是一種很好的校驗方法，至于具體的校驗方法這里就不多說，請查閱相關資料，只須注意CRC碼的除法是模2運算，不同于10進制中的除法。

（二）包：由域構成的包有四種類型，分別是令牌包、數(shù)據(jù)包、握手包和特殊包，前面三種是重要的包，不同的包的域結構不同，介紹如下

1、令牌包：可分為輸入包、輸出包、設置包和幀起始包（注意這里的輸入包是用于設置輸入命令的，輸出包是用來設置輸出命令的，而不是放據(jù)數(shù)的）

其中輸入包、輸出包和設置包的格式都是一樣的：

SYNC+PID+ADDR+ENDP+CRC5（五位的校驗碼）

（上面的縮寫解釋請看上面域的介紹，PID碼的具體定義請看問題五）

幀起始包的格式：

SYNC+PID+11位FRAM+CRC5（五位的校驗碼）

2、數(shù)據(jù)包：分為DATA0包和DATA1包，當USB發(fā)送數(shù)據(jù)的時候，當一次發(fā)送的數(shù)據(jù)長度大于相應端點的容量時，就需要把數(shù)據(jù)包分為好幾個包， 分批發(fā)送，DATA0包和DATA1包交替發(fā)送，即如果第一個數(shù)據(jù)包是 DATA0，那第二個數(shù)據(jù)包就是DATA1。但也有例外情況，在同步傳輸中（四類傳輸類型中之一），所有的數(shù)據(jù)包都是為DATA0，格式如下：

SYNC+PID+0~1023字節(jié)+CRC16

3、握手包：結構最為簡單的包，格式如下

SYNC+PID

（注上面每種包都有不同類型的，USB1.1共定義了十種包，具體請見問題五）

（三）事務：分別有IN事務、OUT事務和SETUP事務三大事務，每一種事務都由令牌包、數(shù)據(jù)包、握手包三個階段構成，這里用階段的意思是因為這些包的發(fā)送是有一定的時間先后順序的，事務的三個階段如下：

1、令牌包階段：啟動一個輸入、輸出或設置的事務

2、數(shù)據(jù)包階段：按輸入、輸出發(fā)送相應的數(shù)據(jù)

3、握手包階段：返回數(shù)據(jù)接收情況，在同步傳輸?shù)腎N和OUT事務中沒有這個階段，這是比較特殊的。

事務的三種類型如下（以下按三個階段來說明一個事務）：

1、 IN事務：

令牌包階段——主機發(fā)送一個PID為IN的輸入包給設備，通知設備要往主機發(fā)送數(shù)據(jù)；

數(shù)據(jù)包階段——設備根據(jù)情況會作出三種反應（要注意：數(shù)據(jù)包階段也不總是傳送數(shù)據(jù)的，根據(jù)傳輸情況還會提前進入握手包階段）

1） 設備端點正常，設備往入主機里面發(fā)出數(shù)據(jù)包（DATA0與DATA1交替）；

2） 設備正在忙，無法往主機發(fā)出數(shù)據(jù)包就發(fā)送NAK無效包，IN事務提前結束，到了下一個IN事務才繼續(xù)；

3） 相應設備端點被禁止，發(fā)送錯誤包STALL包，事務也就提前結束了，總線進入空閑狀態(tài)。

握手包階段——主機正確接收到數(shù)據(jù)之后就會向設備發(fā)送ACK包。

2、 OUT事務：

令牌包階段——主機發(fā)送一個PID為OUT的輸出包給設備，通知設備要接收數(shù)據(jù)；

數(shù)據(jù)包階段——比較簡單，就是主機會設備送數(shù)據(jù)，DATA0與DATA1交替

握手包階段——設備根據(jù)情況會作出三種反應

1）設備端點接收正確，設備往入主機返回ACK，通知主機可以發(fā)送新的數(shù)據(jù)，如果數(shù)據(jù)包發(fā)生了CRC校驗錯誤，將不返回任何握手信息；

2） 設備正在忙，無法往主機發(fā)出數(shù)據(jù)包就發(fā)送NAK無效包，通知主機再次發(fā)送數(shù)據(jù)；

3） 相應設備端點被禁止，發(fā)送錯誤包STALL包，事務提前結束，總線直接進入空閑狀態(tài)。

3、SETUT事務：

令牌包階段——主機發(fā)送一個PID為SETUP的輸出包給設備，通知設備要接收數(shù)據(jù)；

數(shù)據(jù)包階段——比較簡單，就是主機會設備送數(shù)據(jù)，注意，這里只有一個固定為8個字節(jié)的DATA0包，這8個字節(jié)的內容就是標準的USB設備請求命令（共有11條，具體請看問題七）

握手包階段——設備接收到主機的命令信息后，返回ACK，此后總線進入空閑狀態(tài)，并準備下一個傳輸（在SETUP事務后通常是一個IN或OUT事務構成的傳輸）

（四）傳輸：傳輸由OUT、IN、SETUP事務其中的事務構成，傳輸有四種類型，中斷傳輸、批量傳輸、同步傳輸、控制傳輸，其中中斷傳輸和批量轉輸?shù)慕Y構一樣，同步傳輸有最簡單的結構，而控制傳輸是最重要的也是最復雜的傳輸。

1、中斷傳輸：由OUT事務和IN事務構成，用于鍵盤、鼠標等HID設備的數(shù)據(jù)傳輸中

2、批量傳輸：由OUT事務和IN事務構成，用于大容量數(shù)據(jù)傳輸，沒有固定的傳輸速率，也不占用帶寬，當總線忙時，USB會優(yōu)先進行其他類型的數(shù)據(jù)傳輸，而暫時停止批量轉輸。

3、同步傳輸：由OUT事務和IN事務構成，有兩個特殊地方，第一，在同步傳輸?shù)腎N和OUT事務中是沒有返回包階段的；第二，在數(shù)據(jù)包階段所有的數(shù)據(jù)包都為DATA0

4、控制傳輸：最重要的也是最復雜的傳輸，控制傳輸由三個階段構成（初始設置階段、可選數(shù)據(jù)階段、狀態(tài)信息步驟），每一個階段可以看成一個的傳輸， 也就是說控制傳輸其實是由三個傳輸構成的，用來于USB設備初次加接到主機之后，主機通過控制傳輸來交換信息，設備地址和讀取設備的描述符，使得主機識別 設備，并安裝相應的驅動程序，這是每一個USB開發(fā)者都要關心的問題。

1、初始設置步驟：就是一個由SET事務構成的傳輸

2、可選數(shù)據(jù)步驟：就是一個由IN或OUT事務構成的傳輸，這個步驟是可選的，要看初始設置步驟有沒有要求讀/寫數(shù)據(jù)（由SET事務的數(shù)據(jù)包階段發(fā)送的標準請求命令決定）

3、 狀態(tài)信息步驟：顧名思義，這個步驟就是要獲取狀態(tài)信息，由IN或OUT事務構成構成的傳輸，但是要注意這里的IN和OUT事務和之前的INT和OUT事務有兩點不同：

1） 傳輸方向相反，通常IN表示設備往主機送數(shù)據(jù)，OUT表示主機往設備送數(shù)據(jù)；在這里，IN表示主機往設備送數(shù)據(jù)，而OUT表示設備往主機送數(shù)據(jù)，這是為了和可選數(shù)據(jù)步驟相結合；

2） 在這個步驟里，數(shù)據(jù)包階段的數(shù)據(jù)包都是0長度的，即SYNC+PID+CRC16

除了以上兩點有區(qū)別外，其他的一樣，這里就不多說

（思考：這些傳輸模式在實際***作中應如何通過什么方式去設置？）

問題五：標識碼有哪些？

答案五：如同前面所說的標識碼由四位數(shù)據(jù)組成，因此可以表示十六種標識碼，在USB1.1規(guī)范里面，只用了十種標識碼，USB2.0使用了十六種標 識碼，標識碼的作用是用來說明包的屬性的，標識碼是和包聯(lián)系在一起的，首先簡單介紹一下數(shù)據(jù)包的類型，數(shù)據(jù)包分為令牌包、數(shù)據(jù)、握手包和特殊包四種（具體 分類請看問題七），標識碼分別有以下十六種：

令牌包 :

0x01 輸出(OUT）啟動一個方向為主機到設備的傳輸，并包含了設備地址和標號

0x09 輸入 (IN) 啟動一個方向為設備到主機的傳輸，并包含了設備地址和標號

0x05 幀起始（SOF）表示一個幀的開始，并且包含了相應的幀號

0x0d 設置（SETUP）啟動一個控制傳輸，用于主機對設備的初始化

數(shù)據(jù)包 :

0x03 偶數(shù)據(jù)包（DATA0），

0x0b 奇數(shù)據(jù)包（DATA1）

握手包:

0x02 確認接收到無誤的數(shù)據(jù)包（ACK）

0x0a 無效，接收（發(fā)送）端正在忙而無法接收（發(fā)送）信息

0x0e 錯誤，端點被禁止或不支持控制管道請求

特殊包 0x0C 前導，用于啟動下行端口的低速設備的數(shù)據(jù)傳輸

問題六：USB主機是如何識別USB設備的？

答案六：當USB設備插上主機時，主機就通過一系列的動作來對設備進行枚舉配置（配置是屬于枚舉的一個態(tài)，態(tài)表示暫時的狀態(tài)），這這些態(tài)如下：

1、接入態(tài)（Attached）：設備接入主機后，主機通過檢測信號線上的電平變化來發(fā)現(xiàn)設備的接入；

2、供電態(tài)（Powered）：就是給設備供電，分為設備接入時的默認供電值，配置階段后的供電值（按數(shù)據(jù)中要求的最大值，可通過編程設置）

3、缺省態(tài)（Default）：USB在被配置之前，通過缺省地址0與主機進行通信；

4、地址態(tài)（Address）：經過了配置，USB設備被復位后，就可以按主機分配給它的唯一地址來與主機通信，這種狀態(tài)就是地址態(tài)；

5、配置態(tài)（Configured）：通過各種標準的USB請求命令來獲取設備的各種信息，并對設備的某此信息進行改變或設置。

6、掛起態(tài)（Suspended）：總線供電設備在3ms內沒有總線***作，即USB總線處于空閑狀態(tài)的話，該設備就要自動進入掛起狀態(tài)，在進入掛起狀態(tài)后，總的電流功耗不超過280UA。

問題七：剛才在答案四提到的標準的USB設備請求命令究竟是什么？

答案七：標準的USB設備請求命令是用在控制傳輸中的“初始設置步驟”里的數(shù)據(jù)包階段（即DATA0，由八個字節(jié)構成），請看回問答四的內容。標準 USB設備請求命令共有11個，大小都是8個字節(jié)，具有相同的結構，由5 個字段構成（字段是標準請求命令的數(shù)據(jù)部分），結構如下（括號中的數(shù)字表示字節(jié)數(shù)，首字母bm,b,w分別表示位圖、字節(jié)，雙字節(jié)）：

bmRequestType(1)+bRequest（1）+wvalue（2）+wIndex（2）+wLength（2）

各字段的意義如下：

1、bmRequestType：D7D6D5D4D3D2D1D0

D7=0主機到設備

=1設備到主機；

D6D5=00標準請求命令

=01 類請求命令

=10用戶定義的命令

=11保留值

D4D3D2D1D0=00000 接收者為設備

=00001 接收者為設備

=00010 接收者為端點

=00011 接收者為其他接收者

=其他 其他值保留

2、bRequest：請求命令代碼，在標準的USB命令中，每一個命令都定義了編號，編號的值就為字段的值，編號與命令名稱如下（要注意這里的命 令代碼要與其他字段結合使用，可以說命令代碼是標準請求命令代碼的核心，正是因為這些命令代碼而決定了11個USB標準請求命令）：

0） 0 GET_STATUS：用來返回特定接收者的狀態(tài)

1） 1 CLEAR_FEATURE：用來清除或禁止接收者的某些特性

2） 3 SET_FEATURE：用來啟用或激活命令接收者的某些特性

3） 5 SET_ADDRESS：用來給設備分配地址

4） 6 GET_DEs criptOR：用于主機獲取設備的特定描述符

5） 7 SET_DEs criptOR：修改設備中有關的描述符，或者增加新的描述符

6） 8 GET_CONFIGURATION：用于主機獲取設備當前設備的配置值（注同上面的不同）

7） 9 SET_CONFIGURATION：用于主機指示設備采用的要求的配置

8） 10 GET_INTERFACE：用于獲取當前某個接口描述符編號

9） 11 SET_INTERFACE：用于主機要求設備用某個描述符來描述接口

10） 12 SYNCH_FRAME：用于設備設置和報告一個端點的同步幀

以上的11個命令要說得明白真的有一匹布那么長，請各位去看書吧，這里就不多說了，控制傳輸是USB的重心，而這11個命令是控制傳輸?shù)闹匦?，所以這11個命令是重中之重，這個搞明白了，USB就算是入門了。

問題八：在標準的USB請求命令中，經常會看到Des criptor，這是什么來的呢？

回答八：Des criptor即描述符，是一個完整的數(shù)據(jù)結構，可以通過C語言等編程實現(xiàn)，并存儲在USB設備中，用于描述一個USB設備的所有屬性，USB主機是通過 一系列命令來要求設備發(fā)送這些信息的。它的作用就是通過如問答節(jié)中的命令***作來給主機傳遞信息，從而讓主機知道設備具有什么功能、屬于哪一類設備、要 占用多少帶寬、使用哪類傳輸方式及數(shù)據(jù)量的大小，只有主機確定了這些信息之后，設備才能真正開始工作，所以描述符也是十分重要的部分，要好好掌握。標準的 描述符有5種，USB為這些描述符定義了編號：

1——設備描述符

2——配置描述符

3——字符描述符

4——接口描述符

5——端點描述符

上面的描述符之間有一定的關系，一個設備只有一個設備描述符，而一個設備描述符可以包含多個配置描述符，而一個配置描述符可以包含多個接口描述符，一個接口使用了幾個端點，就有幾個端點描述符。這間描述符是用一定的字段構成的，分別如下說明：

1、設備描述符

struct _DEVICE_DEs criptOR_STRUCT

{

BYTE bLength; //設備描述符的字節(jié)數(shù)大小，為0x12

BYTE bDes criptorType; //描述符類型編號，為0x01

WORD bcdUSB; //USB版本號

BYTE bDeviceClass; //USB分配的設備類代碼，0x01~0xfe為標準設備類，0xff為廠商自定義類型

//0x00不是在設備描述符中定義的，如HID

BYTE bDeviceSubClass; //usb分配的子類代碼，同上，值由USB規(guī)定和分配的

BYTE bDeviceProtocl; //USB分配的設備協(xié)議代碼，同上

BYTE bMaxPacketSize0; //端點0的最大包的大小

WORD idVendor; //廠商編號

WORD idProduct; //產品編號

WORD bcdDevice; //設備出廠編號

BYTE iManufacturer; //描述廠商字符串的索引

BYTE iProduct; //描述產品字符串的索引

BYTE iSerialNumber; //描述設備序列號字符串的索引

BYTE bNumConfiguration; //可能的配置數(shù)量

}

2、配置描述符

struct _CONFIGURATION_DEs criptOR_STRUCT

{

BYTE bLength; //設備描述符的字節(jié)數(shù)大小，為0x12

BYTE bDes criptorType; //描述符類型編號，為0x01

WORD wTotalLength; //配置所返回的所有數(shù)量的大小

BYTE bNumInterface; //此配置所支持的接口數(shù)量

BYTE bConfigurationVale; //Set_Configuration命令需要的參數(shù)值

BYTE iConfiguration; //描述該配置的字符串的索引值

BYTE bmAttribute; //供電模式的選擇

BYTE MaxPower; //設備從總線提取的最大電流

}

3、字符描述符

struct _STRING_DEs criptOR_STRUCT

{

BYTE bLength; //設備描述符的字節(jié)數(shù)大小，為0x12

BYTE bDes criptorType; //描述符類型編號，為0x01

BYTE SomeDes criptor[36]; //UNICODE編碼的字符串

}

4、接口描述符

struct _INTERFACE_DEs criptOR_STRUCT

{

BYTE bLength; //設備描述符的字節(jié)數(shù)大小，為0x12

BYTE bDes criptorType; //描述符類型編號，為0x01

BYTE bInterfaceNunber; //接口的編號

BYTE bAlternateSetting;//備用的接口描述符編號

BYTE bNumEndpoints; //該接口使用端點數(shù)，不包括端點0

BYTE bInterfaceClass; //接口類型

BYTE bInterfaceSubClass;//接口子類型

BYTE bInterfaceProtocol;//接口所遵循的協(xié)議

BYTE iInterface; //描述該接口的字符串索引值

}

5、端點描述符

struct _ENDPOIN_DEs criptOR_STRUCT

{

BYTE bLength; //設備描述符的字節(jié)數(shù)大小，為0x12

BYTE bDes criptorType; //描述符類型編號，為0x01

BYTE bEndpointAddress; //端點地址及輸入輸出屬性

BYTE bmAttribute; //端點的傳輸類型屬性

WORD wMaxPacketSize; //端點收、發(fā)的最大包的大小

BYTE bInterval; //主機查詢端點的時間間隔